Аккумуляторы вокруг нас

Аккумуляторы на основе лития, несмотря на важные преимущества – высокую емкость, низкий саморазряд и долговечность, – обладают серьезным недостатком: при повреждении или нарушении условий эксплуатации эти аккумуляторы могут становиться взрывоопасными. При работе свинцово-кислотных аккумуляторов таких нежелательных эффектов пока не наблюдалось. Они «завоевали» автомобильную промышленность из-за простоты и дешевизны производства.

Прямиком из XVIII века

Конденсаторы, в отличие от химических аккумуляторов, не накапливают какую-то еще форму энергии, кроме электроэнергии, а работают непосредственно с электрическим зарядом. Первый прототип конденсатора был придуман и сконструирован еще в 1745 году и вошел в историю физики под красивым названием «лейденская банка» – в честь нидерландского города Лейден, в котором состоялось изобретение. Простейшую конструкцию конденсатора можно представить как систему из двух пластин-электродов, разделенных прослойкой диэлектрика, то есть вещества, плохо проводящего электричество. Конденсаторы, которые применяются на практике, устроены посложнее и могут содержать как многослойные электроды, так и много слоев самого диэлектрика, но базовый принцип от этого не меняется. Суть работы состоит в том, что конденсатор, включенный в цепь переменного тока, будет циклическим образом заряжаться и разряжаться и тем самым проводить колебания переменного тока. Благодаря такому свойству конденсаторы широко применяются в самых разных видах электронных приборов и аппаратуры. Это и обычные источники электропитания, и высокоэнергетические системы – электромагнитные ускорители или импульсные лазеры. Есть модели трамваев, чьи тяговые электродвигатели могут работать даже на обесточенных участках, и в этих технологиях также применяются конденсаторы.

Электромагнит, так же как и конденсатор, может использоваться по назначению только при включении в цепь электрического тока. Однако в случае электромагнита энергия аккумулируется не в форме электрического заряда, а в форме магнитного поля. В простейшем варианте электромагнит – это металлический стержень, на который намотан провод из меди, алюминия или другого проводящего материала. При пропускании тока через обмотку стержень становится сильным магнитом, это позволило широко применять электромагниты в разных областях электротехники. Основные сферы применения – бытовая техника и медицина. Например, микрохирургия глаза: с помощью электромагнитов там извлекают инородные тела. Магнитное поле безболезненно проникает сквозь кожу и кости человека. Магнитная терапия также широко применяется для укрепления костей и тканей, улучшения циркуляции крови.

Вакуумный конденсатор Фото: Warut Roonguthai commons.wikimedia.org

Сила воды и тепла

Значительный интерес для практики представляют также механические и тепловые аккумуляторы, то есть устройства, которые накапливают либо потенциальную энергию упругого материала, либо кинетическую энергию движения (простые примеры – маховик, гироскоп), либо тепло. Например, в системах автономного водоснабжения загородных домов зачастую используются гидроаккумуляторы.

Обычно гидроаккумулятор – это емкость, в которой жидкость поддерживается под давлением с помощью поршня или мембраны. Принцип работы состоит в том, что накапливаемая энергия жидкости, находящейся под давлением, подается в систему и используется в зависимости от устройства: либо создает нужный напор (водоснабжение), либо приводит в действие тот или иной механизм (колеса или тормозную систему, если речь идет о транспорте). Аналогичные устройства применяются и в системах отопления, чтобы создавать напор в трубах. Еще одна важная область применения гидроаккумуляторов – авиационная промышленность: системы торможения колес шасси и выпуска стоек шасси.

Существуют также пневматические аккумуляторы, для которых рабочей средой является не жидкость, а газ. Недостаток такого аккумулятора в том, что при сжатии газа существенная часть энергии переходит в тепло, и за счет этого снижается КПД системы.

Широко применяются устройства, объединяющие достоинства гидро- и пневмоаккумуляторов – так называемые гидроаккумуляторы с пневматическим накопителем, в которых функцию накопителя энергии выполняет газ, а для передачи энергии сжатого газа в систему уже используется гидравлика (то есть жидкость). У таких устройств малая инерционность, и они позволяют создать более надежные конструкции. Пневмогидравлические аккумуляторы используют для обеспечения резервного питания и как амортизаторы.

В отдельную категорию стоит выделить водонапорные башни и ГАЭС, которые по смыслу можно назвать «гравитационными аккумуляторами», поскольку у них принцип основан не на росте потенциальной энергии упругой среды, а на потенциальной энергии воды в поле силы тяжести. По своему главному назначению водонапорная башня – это не что иное, как аккумулятор, в котором роль накапливаемой энергии играет вода. При пониженном водопотреблении избыточный объем воды, подаваемой с помощью насосов, накапливается в баке водонапорной башни. Таким образом, создаются запасы воды, которые расходуются при высоком потреблении. Можно провести аналогию с аккумуляторами в электронике: вода, подаваемая от насосов, играет ту же роль, что электрический ток от внешней сети. А будет ли аккумулятор при этом заряжаться или садиться – зависит как от потребителя, так и от качества техники. В одном случае потребитель – это человек, который сидит в Интернете с телефона или смотрит фильм на ноутбуке, во втором случае потребитель – это тот же самый человек, который после просмотра фильма решил принять душ или набрать ванну.

В России работает всего одна гидроаккумулирующая электростанция – Загорская ГАЭС на реке Кунье у Сергиева Посада в Московской области. Шесть ее блоков дают электроэнергию мощностью до 1200 МВт. Проектируются и другие гидроаккумулирующие электростанции – Ленинградская с мощностью 1560 МВт, Курская – 465 МВт, Владимирская – 800 МВт. Всего в европейской части России можно построить около 200 ГАЭС – это удобно в том числе из-за рельефной поверхности.

Мир аккумуляторов широк и многообразен. Само понятие «аккумулятор» уже аккумулирует в себе огромное количество информации и охватывает обширный круг разных технических устройств, между которыми, на первый взгляд, мало общего. Их объединяет одно: они накапливают в себе энергию, жизненно необходимую всему живому на планете. И человечество тоже является сложным и неисчерпаемым аккумулятором энергии – во много раз более взрывоопасным, чем все разновидности техники.